CN112904171A - 一种四象限光电探测器测试系统及测试方法 - Google Patents

一种四象限光电探测器测试系统及测试方法 Download PDF

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沈吉
徐建东
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Abstract

本发明涉及一种四象限光电探测器测试系统，包括用于提供激光脉冲光源的激光器；用于提供单色光的单色仪；所述激光器和单色仪之间连接有光路切换器；用于接收光源的光学系统，移动装置，所述光电探测器设置在所述移动装置上，所述移动装置带动所述光电探测器移动；处理器，连接所述光电探测器、激光器和/或单色仪，所述处理器用于接收和处理所述光电探测器、激光器和/或单色仪的数据信息。该装置可以满足多种探测器参数的测试需求，提高测试效率。

Description

一种四象限光电探测器测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及一种测试系统及测试方法，尤其涉及一种四象限光电探测器测试系统及测试方法。
背景技术
四象限光电探测器指集成于同一半导体基底的四个参数相同并按照直角坐标系方向排布的光电探测器。其具有响应速度快、灵敏度高、探测光谱范围宽等特点，广泛应用于激光制导、激光准直，空间光通信等领域，在精密车工、大空间3D测量、汽车制造、航空航天等军用民用领域具有广泛应用。
基于四象限光电探测器的广泛应用前景与重要军用地位，近年来，我国多个所高校以及研究所对其进行研究与制造，但目前针对器件的研究主要以提升器件性能，改善器件结构，优化制造工艺几个方面，而对光电探测器的测试系统与测试方法的研究则相对较少。根据中华人民共和国工业和信息化部发布的行业标准《PIN、雪崩光电二极管测试方法》(标准号：SJ/T 2354-2015)以及四象限光电探测器的工作原理，可以确定响应度及光谱响应范围、象限间串扰、四象限输出不一致性、暗电流、上升时间是判定光电探测器的关键指标，进行测试时需要重点关注。
当前市面上现有探测器测试系统多为针对单一参数进行测试，当需要对探测器多个参数进行测试时，则现有系统无法满足需求，若采用多个测试系统，则存在费时费力，空间浪费的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，设计了一种四象限光电探测器测试系统，并基于该系统提供了测试方法，其可以满足多种探测器参数的测试需求，同时实现部分功能自动化，满足量产化制造中大批量，高效率的测试需求。
本发明所采取的技术方案为：一种四象限光电探测器测试系统，包括用于提供激光脉冲光源的激光器；
用于提供单色光的单色仪；
所述激光器和单色仪之间连接有光路切换器；
用于接收光源的光学系统，所述光学系统包括准直透镜、分光棱镜和聚焦透镜，所述光源经过所述准直透镜后形成平行光，所述平行光经所述分光棱镜分为第一光束和第二光束，所述第一光束投射在所述聚焦透镜上，所述第二光束投射在光功率测量装置上，所述光功率测量装置用于测量所述第二光束的光功率，所述第一光束经所述聚焦透镜后投射在光电探测器上；
移动装置，所述光电探测器设置在所述移动装置上，所述移动装置带动所述光电探测器移动；
用于测量光电探测器信号的测试源表；
处理器，连接所述光电探测器、激光器和/或单色仪，所述处理器用于接收和处理所述光电探测器、激光器和/或单色仪的数据信息。
进一步的，所述光电探测器固定在所述移动装置上，所述移动装置通过电机驱动，所述电机连接所述处理器。
进一步的，光电探测器连接有测试电路板，所述测试电路板用于放大光电探测器信号。
进一步的，所述分光棱镜对所述平行光以5：5比例进行分光，所述第一光束为透射光，所述第二光束为反射光。
进一步的，所述单色仪连接有宽光谱光源，所述宽光谱光源的光谱范围为400～1200nm，单色仪波长调节步长为10nm。
进一步的，所述光学系统、光电探测器和光功率测量装置均置于暗箱内。
本发明中还提供了一种四象限光电探测器测试系统的测量方法，包括以下步骤
S01通过所述光路切换器将光源切换至激光器或单色仪，所述激光器或单色仪发射光源；
S02通过控制移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后投射在所述光电探测器第一象限的中心位置；
S03通过控制所述移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后依次投射在所述光电探测器的第二象限、第三象限和第四象限位置；
S04所述处理器接收所述光电探测器在各象限的数据信息，并依据所述数据信号获得光电探测器的光谱响应范围、象限间串扰、暗电流和四象限输出不一致性。
进一步的，所述光谱响应范围的检测方法为：
a通过所述光路切换器将光源切换至单色仪，所述单色仪发射宽光谱光源；
b通过控制移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后投射在所述光电探测器第一象限的中心位置；在所述光电探测器上设置反向偏压，单色仪输出设定波长的宽光谱光源；
c所述处理器接收所述光功率测量装置检测到的对应波长的光功率和所述测试源表检测到的电流，通过所述波长、光功率和电流得到所述第一象限的光谱响应曲线；
d重复步骤b和c获得所述光电探测器的第二象限、第三象限和第四象限的光谱响应曲线；
e依据光谱响应曲线得到光电探测器的光谱响应范围。
进一步的，所述象限间串扰的测量方法为
a通过所述光路切换器将光源切换至激光器，所述激光器发射激光脉冲光源；
b通过控制移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后投射在所述光电探测器第一象限的中心位置；在所述光电探测器上设置反向偏压，调整激光器功率；
c所述处理器接收所述测试源表在所述光电探测器第一象限检测到的电流IA；
d重复步骤b和c获得所述光电探测器在第二象限、第三象限和第四象限的检测的电流，取所述第二象限、第三象限和第四象限检测到的电流最大值IB；
e根据电流IA和电流最大值IB获得第一象限的象限间串扰S1，S1＝IA/IB；
f依次获得第二象限、第三象限和第四象限的象限间串扰。
进一步的，所述四象限输出不一致性的测试方法为
a通过所述光路切换器将光源切换至单色仪，所述单色仪发射宽光谱光源；
b通过控制移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后投射在所述光电探测器第一象限的中心位置；在所述光电探测器上设置反向偏压，单色仪输出设定波长的宽光谱光源；
c所述处理器接收所述测试源表检测到的所述光电探测器对应象限电流I1，
d依次获取所述光电探测器的第二象限、第三象限和第四象限的电流I2、I3和I4；
e计算四象限输出不一致性PRUN的公式如下：
Figure BDA0002904678130000031
式中i＝1、2、3、4，
Figure BDA0002904678130000041
为I1、I2、I3和I4的平均值。
本发明所产生的有益效果包括：
可以通过自动化测试快速得到四象限光电探测器的光谱响应范围、象限间串扰、暗电流和四象限输出不一致性、上升时间；
本测试系统通过采用不同的电路板可以对四象限光电二极管(PIN)、四象限雪崩光电二极管(APD)进行测试
附图说明
图1本发明中自动化四象限光电探测器测试系统示意图；
图2本发明中测试系统的工作流程图；
图中1、激光器，2、单色仪，3、光路切换器，4、暗箱，5、准直透镜，6、分光棱镜，7、光功率探头，8、聚焦镜，9、光电探测器，10、电路板，11、三维平移台，12、测试源表，13、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示，本系统包括不同测试需求的激光器和单色仪，激光器用于发射激光脉冲光源，单色仪与宽光谱光源组合，用于提供可变波长的单色光，激光器和单色仪连接有光路切换器，实验中通过控制光路切换器选择输出脉冲激光或可变波长的单色光。输出光经光路切换器后进入光学系统，所述光学系统包括准直透镜、分光棱镜和聚焦透镜。
输出光通过准直透镜组准直后，以平行光形式传输至分光棱镜处，经过分光棱镜的比例分光(一般取5：5)，分为第一光束和第二光束，第一光束为透射光，第二光束为反射光，反射光被光功率检测装置接收，本实施例中光功率检测装置为光功率探头，透射光继续传输至聚焦镜后，照射到被测四象限光电探测器的表面。光电探测器安装在用于放大光电探测器信号的测试电路板上并可重复拆装，电路板则固定在移动装置上，通过移动装置带动测试电路板和光电探测器移动，本实施例中移动装置为三维平移台，测试电路板为光电探测器设置在三维平移台的支座上，随平移台移动。在移动过程中监测光电探测器的信号变化，脉冲激光波长可选用1064nm；宽光谱光源的光谱范围为400～1200nm，单色仪波长调节范围包宽光谱光源的光谱范围，波长调节步长选为10nm；测试系统中光学元件在范围内应有高透过率。
测试过程中，光路部分与探测器均处于完全避光的暗箱中，防止环境噪声干扰，光功率探头、测试电路板供电与信号输出以及平移台控制信号可通过直角弯管或航插接口与外部测试源表12和处理器连接，本实施例中处理器为计算机，其中测试源表12包含给光电探测器供电的恒压电源，探测信号的测试源表，光功率计等。计算机与激光脉冲光源、单色仪、光路切换器在外部连接，并对激光脉冲光源、单色仪、光路切换器的输出信号进行调节，完成自动化测试多参数的目的。
图2所示，是利用本系统的工作总流程图。包含了响应度及光谱范围测试方法、象限间串扰测试方法、四象限输出不一致性测试方法、暗电流测试方法和上升时间测试方法。
安装好被测探测器后，开启测试系统，系统进行初始化，各器件复位至初始位置；进行系统调试，计算机控制模块驱动三维平移台，使光斑落在探测器第一象限中心，将此时坐标记录在计算机，以备后续测试调节使用，同理保存其他三个象限的坐标位置；进行测试功能选择与参数设置：选择将进行测试的功能，设置测试所需要的相关参数，如偏置电压、单色仪调节波长范围、调节步长等；准备结束后，系统依次对选择测试的参数进行自动测量，测试完成后，对所得所有数据进行处理得到测试数据。
实施例2
在特定波长、特定光功率和一定的反向偏压下，依次测量探测器四个象限的响应电流以及此时相对应的光功率，将响应电流换算成响应度，由此得到响应度随波长变化的曲线。在光谱响应曲线上截取响应度值大于最大响应度值10％所对应的波长范围，作为探测器的光谱响应范围。
响应度及光谱响应范围的具体测试步骤如下：
(1)将光电探测器放置在暗箱内的测试电路板上，电路板上有用于插入探测器的底座，连接时直接将探测器插入底座即可，电路板再与外部测试源表相连。打开测试系统，校准各测量源表，驱动光路切换器将光学输入部分选为接入单色仪的宽光谱光源，驱动单色仪控制输出光波长范围与波长调节步长，通常选波长范围为400～1200nm，波长调节步长选为10nm；
(2)将光电探测器加上设定的反向偏压，控制三维平移台的电机，具体为步进电机，使得汇聚后的单色光光斑照射到探测器第一象限上；
(3)开始测试，测试系统依次使单色仪输出不同波长的光源，并自动采集对应波长的光功率计读数以及相应波长光照射产生的电流，然后进行换算制图，得到该象限的光谱响应曲线；
(4)控制系统控制三维平移台，使光源依次对准其余三个象限，重复过程(3)，获得余下三条条光谱响应曲线，作为该探测器的光谱响应度曲线(1、2、3、4象限分别给出)；
(5)选出典型光谱响应度曲线上响应度大于最大幅值10％所对应的波长范围，即为光电探测器的光谱响应范围。
实施例3
象限间串扰测量方法如下：
采用小光点注入法，将四象限光电探测器放置在三维平移台上，利用光学系统将激光汇聚成小斑点入射光电探测器的一个象限的光敏面上，同时记录四个象限的输出电流，通过计算公式就可以得到该象限的串扰。随后平移探测器，逐个入射其余象限，依次计算得到各个象限对其它象限的串扰。
象限间串扰的具体测试步骤如下：
(1)将探测器放置在暗箱内的测试电路板上，打开测试系统，校准各测量源表，驱动光路切换器将光学输入部分选为激光器光源；
(2)将光电探测器加上规定的反向偏压，控制三维平移台步进电机，将激光器光源照射到探测器第一象限上；
(3)开始测试，测试系统调整激光器功率，并自动采集对应象限所产生的电流IA，并记录余下三个象限的电流值，并取这三个电流值中最大的值为IB；
(4)计算象限间串扰S＝IA/IB。
(5)控制系统控制三维平移台，使光源依次对准其余三个象限，重复过程(3)(4)，获取余下三个象限的串扰。
实施例4
四象限输出不一致性的测试方法如下：
采用小光点注入法，将四象限光电探测器放置在三维平移台上，利用光学系统将激光汇聚成小斑点分别入射光电探测器的每一个象限的光敏面上，同时记录对应象限的输出电流，通过计算公式就可以得到器件的四象限输出不一致性。
四象限输出不一致性的具体测试步骤如下：
(1)将探测器放置在暗箱内的测试电路板上，打开测试系统，校准各测量源表，驱动光路切换器将光学输入部分选为激光器光源；
(2)将光电探测器加上规定的反向偏压，控制三维平移台步进电机，将激光器光源照射到探测器第一象限上；
(3)开始测试，控制系统控制三维平移台，使光源依次对准其中一个象限，并自动记录此时光功率计读数以及对应象限所产生的电流Ii；
(4)计算四象限输出不一致性(PRUN)的公式如下：
Figure BDA0002904678130000071
其中
Figure BDA0002904678130000072
为四个象限的平均电流，Ii为第i个象限产生的电流，i＝1、2、3、4。
实施例5
暗电流测试方法如下：
在无光照条件下，在四象限中单个象限的探测器两端施加特定的反偏电压并形成回路。在回路中流过的电流，称为探测器的暗电流；将四个象限的暗电流取平均值即为该光电探测器的暗电流。
暗电流的具体测试步骤如下：
(1)将光电探测器放置在暗箱内的测试电路板上，校准各测量源表；
(2)调节恒压源，将电压度数稳定在设定的数值，此时电流表读数即为探测器的暗电流。
实施例6
所述上升时间(响应时间)测试方法如下：
用某一特定波长的激光产生的脉冲信号作用于探测器光敏面上，探测器在反向工作偏压条件下所产生的光电流达到峰值的90％所需时间。上升时间的具体测试步骤如下：
(1)将光电探测器放置在暗箱内的测试电路板上，打开测试系统，校准各测量源表，驱动光路切换器将光学输入部分选为激光脉冲光源；
(2)将光电探测器加上设定的反向偏压，将激光器光源照射到第一象限上；
(3)开始测试，控制三维平移台，使光源对准探测器接收面，输出脉冲激光信号，并自动记录开始产生电流到电流稳定的时间，将开始产生电流到电流达到稳定值的90％这段时间作为探测器的响应时间Ti，控制三维平移台对准探测器的第二、三、四象限，重复(2)、(3)步骤，测量其他三个象限的上升时间。
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四象限光电探测器测试系统，其特征在于：包括
用于提供激光脉冲光源的激光器；
用于提供单色光的单色仪；
所述激光器和单色仪之间连接有光路切换器；
用于接收光源的光学系统，所述光学系统包括准直透镜、分光棱镜和聚焦透镜，所述光源经过所述准直透镜后形成平行光，所述平行光经所述分光棱镜分为第一光束和第二光束，所述第一光束投射在所述聚焦透镜上，所述第二光束投射在光功率测量装置上，所述光功率测量装置用于测量所述第二光束的光功率，所述第一光束经所述聚焦透镜后投射在光电探测器上；
移动装置，所述光电探测器设置在所述移动装置上，所述移动装置带动所述光电探测器移动；
测试源表，用于测量光电探测器信号的测试源表；
处理器，连接所述测试电路板、测试源表、激光器和/或单色仪，所述处理器用于接收和处理所述测试电路板、测试源表、激光器和/或单色仪的数据信息。
2.根据权利要求1所述的四象限光电探测器测试系统，其特征在于：所述光电探测器固定在所述移动装置上，所述移动装置通过电机驱动，所述电机连接所述处理器。
3.根据权利要求1所述的四象限光电探测器测试系统，其特征在于：所述分光棱镜对所述平行光以5：5比例进行分光，所述第一光束为透射光，所述第二光束为反射光。
4.根据权利要求1所述的四象限光电探测器测试系统，其特征在于：所述单色仪连接有宽光谱光源，所述宽光谱光源的光谱范围为400～1200nm，单色仪波长调节步长为10nm。
5.根据权利要求1所述的四象限光电探测器测试系统，其特征在于：所述光学系统、光电探测器和光功率测量装置均置于暗箱内。
6.根据权利要求1所述的四象限光电探测器测试系统，其特征在于：所述光电探测器连接有测试电路板，所述测试电路板用于放大光电探测器的信号。
7.一种基于权利要求1所述的四象限光电探测器测试系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤
S01通过所述光路切换器将光源切换至激光器或单色仪，所述激光器或单色仪发射光源；
S02通过控制移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后投射在所述光电探测器第一象限的中心位置；
S03通过控制所述移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后依次投射在所述光电探测器的第二象限、第三象限和第四象限位置；
S04所述处理器接收所述光电探测器在各象限的数据信息，并依据所述数据信号获得光电探测器的光谱响应范围、象限间串扰、暗电流和四象限输出不一致性、上升时间。
8.根据权利要求7所述的四象限光电探测器测试系统的测量方法，其特征在于：所述光谱响应范围的检测方法为：
a通过所述光路切换器将光源切换至单色仪，所述单色仪发射宽光谱光源；
b通过控制移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后投射在所述光电探测器第一象限的中心位置；在所述光电探测器上设置反向偏压，单色仪输出设定波长的宽光谱光源；
c所述处理器接收所述光功率测量装置检测到的对应波长的光功率和所述测试源表检测到的电流，通过所述波长、光功率和电流得到所述第一象限的光谱响应曲线；
d重复步骤b和c获得所述光电探测器的第二象限、第三象限和第四象限的光谱响应曲线；
e依据光谱响应曲线得到光电探测器的光谱响应范围。
9.根据权利要求7所述的四象限光电探测器测试系统的测量方法，其特征在于：所述象限间串扰的测量方法为
a通过所述光路切换器将光源切换至激光器，所述激光器发射激光脉冲光源；
b通过控制移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后投射在所述光电探测器第一象限的中心位置；在所述光电探测器上设置反向偏压，调整激光器功率；
c所述处理器接收所述测试源表在所述光电探测器第一象限检测到的电流IA；
d重复步骤b和c获得所述光电探测器在第二象限、第三象限和第四象限的电流，取所述第二象限、第三象限和第四象限检测到的电流最大值IB；
e根据电流IA和电流最大值IB获得第一象限的象限间串扰S1，S1＝IA/IB；
f依次获得第二象限、第三象限和第四象限的象限间串扰。
10.根据权利要求7所述的四象限光电探测器测试系统的测量方法，其特征在于：所述四象限输出不一致性的测试方法为
a通过所述光路切换器将光源切换至单色仪，所述单色仪发射宽光谱光源；
b通过控制移动装置移动所述光电探测器，使所述第一光束经过所述聚焦透镜后投射在所述光电探测器第一象限的中心位置；在所述光电探测器上设置反向偏压，单色仪输出设定波长的宽光谱光源；
c所述处理器接收所述测试源表检测到的所述光电探测器对应象限电流I1，
d依次获取所述光电探测器的第二象限、第三象限和第四象限的电流I2、I3和I4；
e计算四象限输出不一致性PRUN的公式如下：
Figure FDA0002904678120000031
式中i＝1、2、3、4，
Figure FDA0002904678120000032
为I1、I2、I3和I4的平均值。
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